煤基質(zhì)自調(diào)節(jié)效應(yīng)實(shí)驗(yàn)

陳金剛 陳義 劉大全

鄭州大學(xué)工程力學(xué)系

煤基質(zhì)自調(diào)節(jié)效應(yīng)實(shí)驗(yàn)

陳金剛 陳義 劉大全

鄭州大學(xué)工程力學(xué)系

陳金剛等.煤基質(zhì)自調(diào)節(jié)效應(yīng)實(shí)驗(yàn).天然氣工業(yè),2010,30(4):133-136.

煤儲(chǔ)層滲透率是決定煤層氣開采成敗的關(guān)鍵參數(shù)之一。以煤基質(zhì)為研究對(duì)象,根據(jù)應(yīng)力來源的不同,提出了煤基質(zhì)內(nèi)外應(yīng)力的概念。分析認(rèn)為:煤儲(chǔ)層滲透率隨煤層氣開采而動(dòng)態(tài)變化正是煤基質(zhì)內(nèi)外應(yīng)力綜合作用的結(jié)果。隨著煤層氣的采動(dòng),有效應(yīng)力(煤基質(zhì)外力)增大,裂隙寬度減小,煤儲(chǔ)層滲透率降低;而流體壓力降低,煤層氣解吸,煤基質(zhì)發(fā)生收縮,產(chǎn)生煤基質(zhì)內(nèi)力,裂隙寬度增大,煤儲(chǔ)層滲透率增高。為了探討煤基質(zhì)內(nèi)外應(yīng)力與煤基質(zhì)變形特性的關(guān)系,開展了三軸力學(xué)實(shí)驗(yàn)和吸附膨脹實(shí)驗(yàn),根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析和總結(jié),提出了煤基質(zhì)自調(diào)節(jié)效應(yīng)的新觀點(diǎn),構(gòu)建了煤基質(zhì)內(nèi)外應(yīng)力耦合作用下的自調(diào)節(jié)模式。研究成果為煤層氣的有效開采提供了理論基礎(chǔ)。

煤基質(zhì) 自調(diào)節(jié)效應(yīng) 煤儲(chǔ)層 滲透率 有效應(yīng)力 三軸力學(xué)實(shí)驗(yàn) 吸附膨脹 煤層氣

煤儲(chǔ)層滲透率的改善來自于多種應(yīng)力因素的綜合作用,包括上覆巖層重力、構(gòu)造應(yīng)力、地下水動(dòng)力、熱力場(chǎng)等動(dòng)力條件。這些應(yīng)力的變化,引起煤基塊的變形,諸多應(yīng)力耦合導(dǎo)致煤儲(chǔ)層裂隙的開合程度發(fā)生變化,進(jìn)而影響到煤儲(chǔ)層滲透率的不斷變化。筆者以煤儲(chǔ)層煤基質(zhì)為研究對(duì)象,把來自于基質(zhì)外部的應(yīng)力稱為基質(zhì)外力,其中,有效應(yīng)力為垂直于裂隙方向總應(yīng)力與煤儲(chǔ)層內(nèi)孔隙、裂隙流體壓力之差,是決定煤層中天然裂隙開合程度的應(yīng)力因素。把基質(zhì)因外部應(yīng)力變化引起自身形變調(diào)整而產(chǎn)生的應(yīng)力稱為基質(zhì)內(nèi)力。

關(guān)于煤基質(zhì)內(nèi)外力對(duì)煤儲(chǔ)層滲透率以及煤基塊的吸附/解吸應(yīng)變的影響,相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道較少[1-3],尤其是對(duì)煤基質(zhì)內(nèi)外應(yīng)力耦合作用與煤基質(zhì)變形特性關(guān)系缺乏探索。為此,筆者開展了綜合物理模擬實(shí)驗(yàn),以求建立煤基質(zhì)在內(nèi)外應(yīng)力耦合作用下的自調(diào)節(jié)效應(yīng)和模式。

1 綜合模擬實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介

1.1 實(shí)驗(yàn)樣品制備

實(shí)驗(yàn)煤樣采自沁水盆地中—南部晉城、潞安礦區(qū)山西組3#煤層(表1)。宏觀煤巖類型為裂隙發(fā)育中等的半亮煤—半暗煤,煤類為瘦煤—3號(hào)無煙煤。層面方向在大煤塊上鉆取直徑為25mm、高為50mm的圓柱樣,將煤樣端面切平整,加工精度按國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)推薦的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

綜合物理模擬實(shí)驗(yàn)在中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院壓裂中心實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行,實(shí)驗(yàn)設(shè)備為美國(guó) Terra Tek公司制造的巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

1.3 綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)M方案

1.3.1 吸附膨脹實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)前,將樣品置于5%的 KCl溶液中,抽真空,排除其中的氣相介質(zhì),飽和水平衡24～48h。實(shí)驗(yàn)時(shí)保持有效應(yīng)力不變,向飽和水煤樣充入純度為99.99%的CH4氣體,分別測(cè)試CH4壓力0.5、1.0、2.0、3.0、4.0MPa和4.5MPa以及相應(yīng)圍壓,2.0、3.0、4.0、5.0MPa和5.5MPa條件下每一個(gè)測(cè)點(diǎn)煤樣吸附甲烷的縱向、徑向及體積膨脹量,每點(diǎn)穩(wěn)定時(shí)間為12h。1.3.2 三軸力學(xué)實(shí)驗(yàn)

圍壓設(shè)計(jì)為8MPa,軸壓從大氣壓開始逐漸加大,加載速率為0.035MPa/s,直至樣品破壞為止。實(shí)驗(yàn)過程中,計(jì)算機(jī)每10s采集一組數(shù)據(jù),采集的主要數(shù)數(shù)據(jù)有圍壓、軸壓、流體壓力、軸向應(yīng)變、徑向應(yīng)變1(垂直面裂隙)、徑向應(yīng)變2(垂直端裂隙)、平均徑向應(yīng)變、體積應(yīng)變、時(shí)間等。

表1 吸附膨脹實(shí)驗(yàn)結(jié)果表

1.4 綜合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及結(jié)果

1.4.1 吸附膨脹實(shí)驗(yàn)

研究表明,CH4吸附應(yīng)變可以精確地模擬成朗格繆爾等溫吸附模型[2]。

式中:εv為壓力 p下吸附的體積應(yīng)變;εmax與朗格繆爾方程中朗格繆爾體積數(shù)據(jù)表達(dá)的含義相當(dāng),代表理論最大應(yīng)變量,即無限壓力下的漸近值;p50與朗格繆爾壓力數(shù)據(jù)表達(dá)的含義相當(dāng),代表煤樣達(dá)到最大應(yīng)變量的1/2時(shí)的壓力。

進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)表明,吸附應(yīng)變與壓力并非呈線性關(guān)系,而呈一條曲線,低壓時(shí)曲線較陡,高壓時(shí)曲線變得平緩,與吸附等溫線類似。將式(1)化成直線型,即:

由式(2)進(jìn)行線性擬合,計(jì)算出截距εmax/p50以及斜率1/p50。然后,解出εmax和 p50,代入式(1),即可得到朗格繆爾型吸附膨脹方程。

筆者對(duì)晉城鳳凰山礦、陽泉一礦、左權(quán)石港礦、陽城臥莊礦的煤樣分別進(jìn)行了自然煤樣、飽和水煤樣、氣水飽和煤樣3種類型進(jìn)行了三軸壓縮實(shí)驗(yàn)研究[4],高平望云礦、潞安常村礦、五陽礦、霍州李家村礦、晉城成莊礦煤樣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果為本課題組前期研究工作[5],文中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相同。通過實(shí)驗(yàn),測(cè)得煤在有效應(yīng)力和溫度不變的情況下,流體壓力(p)與體積應(yīng)變(εv)的對(duì)應(yīng)關(guān)系,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

1.4.2 三軸力學(xué)實(shí)驗(yàn)

煤層氣開發(fā)均是在地下一定深度范圍內(nèi)進(jìn)行,人們更為關(guān)心的是原地應(yīng)力條件下煤的力學(xué)性質(zhì),即飽和水、氣煤樣在圍限壓力下的力學(xué)行為和應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系所表現(xiàn)出的變形特征。在煤儲(chǔ)層所處地應(yīng)力環(huán)境下,隨著煤層氣的開采,圍壓的變化很小,可以視為不變。因此,實(shí)驗(yàn)采用假三軸來進(jìn)行樣品參數(shù)的實(shí)驗(yàn)。

在假三軸力學(xué)實(shí)驗(yàn)中,模擬地層的圍壓是通過油壓來加載的,所以有:

彈性模量:

泊松比:

式中:E為彈性模量;v為泊松比;σ1、σ2、σ3為三軸壓力,其中σ1表示垂向壓力,實(shí)驗(yàn)中指軸壓,σ2、σ3表示水平壓力,實(shí)驗(yàn)中指圍壓,在假三軸力學(xué)實(shí)驗(yàn)中,;σ2= σ3;ε1為垂向應(yīng)變,實(shí)驗(yàn)指軸向應(yīng)變;ε2橫向應(yīng)變,實(shí)驗(yàn)指平均徑向應(yīng)變。

將實(shí)驗(yàn)中得到的軸向應(yīng)變、平均徑向應(yīng)變、軸壓和圍壓代入上兩式,求出每一點(diǎn)的彈性模量和泊松比v。煤樣三軸模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。

設(shè)成莊礦煤儲(chǔ)層埋深在800m左右,此深度下的實(shí)驗(yàn)滲透率為初始滲透率,體積壓縮系數(shù)根據(jù)三軸壓縮力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,利用擬合的公式來計(jì)算飽和水煤樣的相應(yīng)壓力對(duì)應(yīng)的數(shù)值,然后求其平均值,可以得到不同儲(chǔ)層壓力下體積壓縮系數(shù)。

表2 三軸力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表

2 煤基質(zhì)自調(diào)節(jié)效應(yīng)耦合關(guān)系及模式

在煤層氣采動(dòng)過程中,隨著地下水和煤層氣的采出,煤儲(chǔ)層的流體壓力也同時(shí)降低,使得有效應(yīng)力(煤基質(zhì)外力)增大,裂隙寬度減小,導(dǎo)致煤儲(chǔ)層滲透率降低。另一方面,流體壓力降低,使煤層氣解吸,煤基質(zhì)受到干擾,發(fā)生收縮,產(chǎn)生煤基質(zhì)內(nèi)力,裂隙寬度增大,導(dǎo)致煤儲(chǔ)層滲透率增高。煤儲(chǔ)層滲透率的變化正是這兩種效應(yīng)綜合作用的結(jié)果。這種綜合現(xiàn)象稱為煤基質(zhì)自調(diào)節(jié)效應(yīng),其中,煤基質(zhì)收縮導(dǎo)致煤儲(chǔ)層滲透率增高的現(xiàn)象為煤基質(zhì)自調(diào)節(jié)正效應(yīng),有效應(yīng)力增大致使煤儲(chǔ)層滲透率降低的現(xiàn)象為煤基質(zhì)自調(diào)節(jié)負(fù)效應(yīng)[4,6]。

2.1 煤基質(zhì)自調(diào)節(jié)正、負(fù)效應(yīng)耦合關(guān)系

圖1 煤基質(zhì)自調(diào)節(jié)正、負(fù)效應(yīng)之間耦合關(guān)系圖

煤基質(zhì)收縮參數(shù)為吸附膨脹參數(shù),泊松比為表2中對(duì)應(yīng)煤樣的泊松比值。設(shè)煤儲(chǔ)層氣、水飽和,流體壓力從5.9MPa開始逐漸降低1.0MPa左右,煤基質(zhì)內(nèi)外力綜合作用效果見圖1。成莊無煙煤煤基質(zhì)有效應(yīng)力負(fù)效應(yīng)大于煤基質(zhì)收縮的正效應(yīng),望云、常村和左權(quán)煤樣在儲(chǔ)層壓力降至3MPa之前,有效應(yīng)力的負(fù)效應(yīng)大于煤基質(zhì)收縮的正效應(yīng),當(dāng)儲(chǔ)層壓力降至3MPa之后,煤基質(zhì)收縮的正效應(yīng)大于有效應(yīng)力的負(fù)效應(yīng),而五陽和陽泉煤樣,煤基質(zhì)收縮的正效應(yīng)始終大于有效應(yīng)力的負(fù)效應(yīng)。根據(jù)插值或縮小流體壓力步長(zhǎng)的計(jì)算分析,可以得到煤基質(zhì)自調(diào)節(jié)正、負(fù)效應(yīng)總體趨勢(shì)或規(guī)律性,即:流體壓力不變時(shí),煤基質(zhì)內(nèi)力滲透率增加率隨應(yīng)力滲透率降低率的增加而增加,滲透率降低率與增加率之間呈現(xiàn)出“指數(shù)量板”模式。

式中:ΔKn為煤基質(zhì)內(nèi)力滲透率增加率,%;ΔKy為煤基質(zhì)外力滲透率降低率,%;a1、b1為擬合系數(shù)。

2.2 流體壓力—綜合調(diào)節(jié)效應(yīng)耦合關(guān)系及模式

把煤基質(zhì)正、負(fù)效應(yīng)進(jìn)行疊加,即可得到煤基質(zhì)自調(diào)節(jié)綜合滲透率變化率結(jié)果(表3)。

各個(gè)樣品以及各個(gè)煤級(jí)的煤基質(zhì)自調(diào)節(jié)滲透率綜合變化率與流體壓力耦合關(guān)系呈現(xiàn)出相似規(guī)律性。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,在不同煤級(jí)之間進(jìn)行插值,即可得到煤基質(zhì)自調(diào)節(jié)滲透率綜合變化率與流體壓力之間的“負(fù)對(duì)數(shù)量板”模式:

表3 煤基質(zhì)自調(diào)節(jié)滲透率綜合變化率表 %

式中:ΔKz為煤基質(zhì)自調(diào)節(jié)滲透率綜合變化率,%;p為流體壓力,MPa;a2、b2為擬合系數(shù)。

對(duì)于給定煤級(jí)的樣品,隨流體壓力的逐漸降低,煤基質(zhì)自調(diào)節(jié)滲透率綜合變化率逐漸增大(圖2),也就是有效應(yīng)力滲透率降低率逐漸小于煤基質(zhì)收縮滲透率增加率。這意味著煤層氣開采過程中,隨著儲(chǔ)層壓力逐漸降低,煤儲(chǔ)層滲透率有逐漸增加的趨勢(shì)。在較低壓下,煤儲(chǔ)層的滲透率有望得到改善。

圖2 流體壓力—綜合效應(yīng)耦合關(guān)系圖

2.3 煤級(jí)—綜合調(diào)節(jié)效應(yīng)耦合關(guān)系及模式

圖3 煤級(jí)—煤基質(zhì)自調(diào)節(jié)效應(yīng)模式圖

圖3顯示,隨著煤級(jí)的逐漸增加,煤基質(zhì)自調(diào)節(jié)滲透率綜合變化率呈現(xiàn)出降低的規(guī)律性。也就是說,隨煤級(jí)的增加,有效應(yīng)力滲透率降低率有大于煤基質(zhì)收縮滲透率增加率的趨勢(shì)。在Ro=2.87%時(shí),煤基質(zhì)自調(diào)節(jié)滲透率綜合變化率在模擬的各個(gè)壓力下始終為負(fù)值,也就是應(yīng)力滲透率降低率始終大于煤基質(zhì)收縮滲透率增加率,而隨著煤級(jí)的逐漸減小,在模擬的壓力范圍內(nèi),煤基質(zhì)自調(diào)節(jié)滲透率綜合變化率由負(fù)值逐漸轉(zhuǎn)化為正值,Ro=1.89%條件下,煤基質(zhì)自調(diào)節(jié)滲透率綜合變化率全部轉(zhuǎn)化為正值,這同時(shí)可能反映了低中中煤級(jí)煤比高煤級(jí)煤具有較高的煤層氣開發(fā)潛勢(shì) 。根據(jù)煤基質(zhì)自調(diào)節(jié)滲透率綜合變化率與煤級(jí)之間的耦合規(guī)律,在不同煤級(jí)之間進(jìn)行插值,即可以得到煤基質(zhì)自調(diào)節(jié)滲透率綜合變化率與煤級(jí)之間的“負(fù)對(duì)數(shù)量板”模式(圖3):

式中:Ro為鏡質(zhì)組反射率,%;a3、b3為擬合系數(shù)。

3 結(jié)論

1)以煤基質(zhì)為研究對(duì)象,根據(jù)應(yīng)力來源的不同,提出了煤基質(zhì)內(nèi)、外應(yīng)力的新概念。

2)隨著煤層氣采動(dòng),煤基質(zhì)因外力變化而引起收縮內(nèi)力的產(chǎn)生,對(duì)煤儲(chǔ)層滲透率的貢獻(xiàn)恰好相反,根據(jù)這一現(xiàn)象,提出了煤基質(zhì)自調(diào)節(jié)正、負(fù)效應(yīng)的新觀點(diǎn)。

3)煤基質(zhì)內(nèi)力滲透率增加率隨煤基質(zhì)外力滲透率降低率的增加而增加,符合指數(shù)量板模式。

4)流體壓力的增加,煤基質(zhì)自調(diào)節(jié)綜合效應(yīng)呈負(fù)對(duì)數(shù)模式降低,煤基質(zhì)自調(diào)節(jié)效應(yīng)模式預(yù)示:隨著煤層氣開采,儲(chǔ)層壓力的降低,煤儲(chǔ)層滲透率有不斷改善的趨勢(shì)。

5)隨著煤級(jí)的逐漸增加,煤基質(zhì)自調(diào)節(jié)滲透率綜合變化率呈負(fù)對(duì)數(shù)模式降低,反映了低中煤級(jí)煤比高煤級(jí)煤具有較高的煤層氣開發(fā)潛勢(shì)。

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(修改回稿日期 2010-02-13 編輯 羅冬梅)

DOI:10.3787/j.issn.1000-0976.2010.04.033

Chen Jingang,associate professor,was born in1973.He holds a Ph.D degree,being mainly engaged in research of natural gas geology.

Add:No.100,Kexue Avenue,Zhenzhou,Henan450001,P.R.China

Tel:+86-371-67783117 E-mail:chenjg@zzu.edu.cn

An experimental study on the self-regulating effect of coal matrix

Chen Jingang,Chen Yi,Liu Daquan
(Zhengzhou University,Zhengzhou,Henan450001,China)

NATUR.GAS IND.VOLUME30,ISSUE4,pp.133-136,4/25/2010.(ISSN1000-0976;In Chinese)

Coal reservoir permeability is one of the key parameters to determine the success or failure of coalbed methane exploitation. Taking coal matrix as the research object,according to the difference of the stress sources,a new concept of internal and external stress of coal matrix is put forward.The dynamic variation of the permeability of coalbed layers during the coalbed gas recovery resulted from the internal and external stress of coal matrix.With gas recovery,the effective stress(external stress of coal matrix)increases,the fracture width reduces,thus the permeability of coalbed layers decreases,and the release of gas will lead to the coal-matrix shrinking,resulting in internal stress of coal matrix,which leads to the increase of both the fracture width and the permeability of coalbed layers.In order to study the relationship between the internal and external stress and coal matrix deformation characteristics,the triaxial mechanical experiments and adsorption-expansion experiments are carried out.According to the analysis of experimental results,a new viewpoint of the self-regulating effect of coal matrix is proposed,and the self-regulating model of coal matrix under the coupling effect of internal and external stress of coal matrix is constructed,which may provide theoretical basis for further study and effective gas exploitation.

coal matrix,self-regulating effect,coal reservoirs,permeability,effective stress,triaxial stress experiment,adsorption expansion,coalbed methane

book=133,ebook=443

10.3787/j.issn.1000-0976.2010.04.033

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào):50709030)、河南省教育廳自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào):2008A410002,2007570011)河南省高校青年骨干教師科研項(xiàng)目。

陳金剛,1973年生,博士,副教授;2003年畢業(yè)于中國(guó)礦業(yè)大學(xué)地球探測(cè)與信息技術(shù)專業(yè);從事天然氣地質(zhì)學(xué)方面的研究工作。地址:(450001)河南省鄭州市科學(xué)大道100號(hào)鄭州大學(xué)工程力學(xué)系。電話:(0371)67783117。E-mail:chenjg@zzu.edu.cn